專利名稱：基于ofdma的媒體訪問控制和用于工業應用的幀結構設計的制作方法
技術領域：
本發明總體上涉及無線網絡，特別是一種具有可以控制多個從節點的主節點的無線網絡。
背景技術：
正交頻分復用OFDM采用離散的多音調調制。在OFDM中，例如采用一些多進制的正交振幅調制(QAM Quadrature Amplitude Modulation)或相移鍵控在很多均勻間隔開的子載波上調制音調。OFDM在任意給定時間都只允許信道上的一個用戶(收發器站)以適應多個用戶，OFDM系統必須采用時分多址(TDMA)或頻分多址(FDMA)。正交頻分復用多址(OFDMA)是OFDM的多用戶版本，其允許多個用戶同時訪問同一信道，其中信道包括一組均勻間隔開的子載波。OFDMA在用戶(收發器)中分配子載波，因此多個用戶能夠在同一個單一的RF信道(TDD)或在多個子信道上的不同的RF信道(FDD) 中發送和接收數據。這些子信道還被分割為窄帶“音調”組。通常，子信道中的音調的數量取決于該子信道的總帶寬。傳統的星型網絡包括一個主節點和多個從節點。該主節點與所有從節點通信， 而這些從節點僅與主節點通信。這樣的網絡可以使用正交頻分多址(OFDMA)和時分多址 (TDMA)符號。在諸如工廠自動化的需要高可靠性與相對低的等待時間的應用中，需要在給定的等待時間限制(延遲)內擷取來自所有從節點的數據。該等待時間限制等于一個通信周期。對從節點進行的逐個輪詢可能不符合該應用對等待時間要求。另外，在來自一從節點的傳輸失敗的情況下，在不違反等待時間限制的情況下應該給予該特定從節點重傳機會以滿足所要求的傳輸可靠性。
發明內容
因此，根據本發明的實施方式，通過時分多址(TDMA)將下行鏈路(主節點到從節點)上傳輸與上行鏈路(從節點到主節點)上傳輸分離開來。由于從節點的傳輸的正交性，從節點同時進行傳輸而在不會引發沖突。本發明還描述了用于上行鏈路傳輸和下行鏈路傳輸的自適應重傳策略以提高給定等待時間限制下的傳輸可靠性。
圖1是根據本發明實施方式的包括一個主節點和N個從節點的星型網絡的示意圖。圖2是根據本發明一個實施方式的下行鏈路傳輸的時分安排的框圖。圖3是根據本發明實施方式的廣播輪詢下行鏈路傳輸分組的框圖。圖4是根據本發明實施方式的從節點響應上行鏈路傳輸分組的框圖。
圖5是根據本發明實施方式的群組確認(GACK) 1和GACK2分組的框圖。
具體實施例方式如圖1所示，根據本發明實施方式的通信網絡100包括一個主節點(主)110和N 個從節點(從)120的組。該主節點110是在無線鏈路(信道)105上的所有通信的協調器，而每一個從節點均具有標識(ID)。介于主節點和從節點之間的鏈路10 至105N是對稱的。換言之，如果主節點120能夠成功地對從節點120傳輸，則從節點120也能夠成功地對主節點110傳輸。因此，各節點均包括無線收發器(發送器和接收器)。在一個實施方式中，在諸如制造廠或化工廠的工業應用中，從節點包括傳感器。用于主節點與從節點之間的通信的方法可以保證，在每一個通信周期中，主節點 110從所有運行的從節點120獲得傳感器數據的副本。本發明的實施方式做出以下假設所有從節點能夠同時發送，這是因為這些從節點使用正交的頻率資源。從節點使用的資源包括以下資源中的一個a、不同的頻率子載波；b、不同的直接序列擴頻(DSSS =Direct Sequence Spread Spectrum)碼；或c、(a)和(b)。主節點向各從節點分配該從節點使用的通信資源，這些通信資源包括子載波的數量、使用那些子載波和/或使用那種DSSS碼。從節點至主節點的傳輸是上行鏈路傳輸。主節點至從節點的傳輸是下行鏈路傳輸，下行鏈路傳輸使用所有可用的通信資源 (即，子載波)。下行鏈路傳輸和上行鏈路傳輸通過時分多址分離開來。換言之，上行鏈路傳輸和下行鏈路傳輸在時域中是分開的。根據本發明的一個實施方式，圖2顯示了一個通信周期(被稱為超幀觀0)內對時間域290中的下行鏈路傳輸和上行鏈路傳輸的安排。各周期中的超幀280最多包括三次上行鏈路傳輸和三次下行鏈路傳輸。下行鏈路傳輸包括廣播輪詢分組200、群組確認(GACK-I)分組220和GACK-2分組對0。上行鏈路傳輸包括從節點響應210、第一從節點響應重傳(Retx-I)分組230和第二從節點響應重傳(Retx-幻分組250。如圖2所示，這六次傳送的順序是廣播輪詢分組 200、從節點響應 210、GACK-I 分組 220、Retx-I 分組 230、GACK-2 分組 240 以及 Retx-2 分組250。在兩次連續的傳輸之間，存在被稱為轉變時間四5的固定時間間隔，該固定時間間隔使得收發器能夠在發送模式和接收模式之間切換。超幀280從主節點對下行鏈路廣播輪詢和資源分配分組200的廣播開始。該分組 200使用通信資源發送，使得所有從節點在理想信道的情況下均能夠成功地將該分組解碼。 例如，在多載波通信系統的情況中，該廣播輪詢分組200可以使用所有的子載波。將所有資源都用于下行鏈路傳輸提高了從節點能夠可靠接收的概率。如圖3所示，廣播數據包包括前導碼205、物理層控制報頭280和有效載荷觀5。前導碼P 205。各前導碼均由三個OFDM符號組成，并且前導碼P 205占用等于
435. 7μ s的固定時間間隔。該前導碼用于信號探測、頻率偏置消除、時間同步以及信道估計。物理層控制報頭(PCH) 280o PCH包括站狀態信息ST1210和ST2215、用于活動的和重傳從節點的位圖220、功率控制指示(PCI) 221以及過渡消息(transient message)指示標記(T)222。為了高可靠性，通過包括針對廣播輪詢分組200的PHY控制報頭的循環冗余校驗CRC0225，以高冗余水平將該PCH信息編碼。各個PCH均包括65個信息比特(編碼之前)。位圖字段220用來指示哪些從節點被要求對該廣播輪詢分組200做出響應。如果存在N個從節點，則該位圖字段包括至少N個比特，每個比特用作相應的從節點的響應請求標記。例如，具有ID5的從節點可以檢驗該位圖字段中的第5個比特以確定其是否需要對廣播輪詢分組做出響應。在字段STl或ST2中，可以嵌入包括主節點ID、超幀周期的類型(例如，關聯周期、更新周期、定期輪詢周期等)的一些信息。廣播分組200還包含有效載荷部分觀5，該有效載荷部分包括具有CRC 235和245 的下行鏈路從節點數據230和M0、具有CRC 255的下行鏈路臨時數據250以及具有CRC 265的資源分配沈0。特別地，該廣播分組200的有效載荷中的字段詳述如下從節點1數據230 該字段承載用于從節點1的數據。CRC 1225 從節點1數據230的循環冗余校驗。從節點N數據MO 該字段承載用于從節點N的數據。CRC N 245 從節點N數據240的循環冗余校驗。臨時數據250 廣播輪詢數據包200承載針對特定從節點的過渡消息。該字段包含該過渡消息。該過渡消息250使主節點110有機會向特定從節點發送批量數據、控制和配置命令以及由于太大而使輪詢數據包200的從節點數據部分230容納不下的其它數據。CRC T 245 臨時數據250的循環冗余校驗。資源分配(從節點1至N06O 該字段用于向各個從節點告知什么通信資源(如頻率子載波)用于該從節點的響應分組210的傳輸。CRC T 265 資源分配的循環冗余校驗。由于存在針對各個從節點數據的單獨CRC，所以特定從節點在收到聽到廣播輪詢分組后僅需要驗證其自身數據部分的CRC。只要對報頭的CRC校驗和對其自己的數據部分的CRC校驗是正確的，則該從節點就認為成功地接收了該廣播輪詢分組。MAC分組的有效載荷的長度可以根據活動的和重傳從節點的數量以及分組中是否包含有過渡消息而發生變化。在一特定實現中，PHY控制報頭觀0的設置如表1所示。表 1STl 210 & ST2 215:狀態信息，每個1字節，共16個比特位圖220:指示活動/重傳從節點，N = 32個比特。對于廣播輪詢傳輸而言，如果第k比特等于1 (k = 0, 1,...,31),則第k從節點需要在下一次上行鏈路傳輸中發送響應數據；否則該從節點無效。對于GACK傳輸而言，如果第k比特等于1，則第k從節點需要在下一次上行鏈路傳輸中重傳數據；否則，相應從節點不重傳。T 222:指示有/無過渡消息，1個比特。T = O意味著沒有過渡消息；T=I 表明包括了過渡消息。PCI 221:功率控制指示，8個比特。CRCO 225:8個比特的CRC校驗。CRC的除數由多項式χ8+χ7+χ3+χ2+1給出O主節點還設定定時器205以指示從節點響應時段的結束。如圖4所示，在接收到廣播輪詢分組200以后，各個從節點均向主節點發送響應分組。各從節點應響應分組310 均包含有如圖4示出的以下字段。前導碼P 400 用于信道估計的時域導頻或訓練信號。在本發明的特定實現中，一個OFDM符號用于時域導頻，具有11. 9μ s的固定時間間隔。有效載荷數據410 各從節點的上行鏈路響應分組210的有效載荷包括Rx420、 RWr430、消息440以及CRC 450。在根據本發明的一特定實現中，這些字段的設置在表2中
全A屮
5 口 OD。表 2
Rx 420:最大16個字節。比特數據，其被從主節點發送到從設備用以控制和配置該從設備的遠程輸入和輸出。RWr 430:最大32個字節。字數據，其被從主節點發送至從設備用以對該從設備的遠程寄存器進行寫入和讀出消息440:最大34個字節。從設備針對主節點的過渡消息CRC 450:8個比特校驗和在廣播了分組200后，主節點110等待響應時段定時器205終止。一旦定時器205 終止，主節點對成功接收到的從節點響應210進行處理。主節點廣播GACK 220。主節點還設定第二定時器215，該第二定時器215是GACK時段定時器。由于正交的傳輸資源(頻率子載波等)，從節點IDs隱含地為主節點所知。因此，在上行鏈路分組210、 230、250中沒有傳送從節點ID。下行鏈路GACK 220(220. 240}分組包括如圖5示出的以下字段。前導碼P 500 各個前導碼均由一定數量個OFDM符號組成，并占用固定的時間間隔。該前導碼用于信號探測、頻率偏置消除、時間同步和信道估計。在本發明的一個實現中， 三個OFDM符號被用于前導碼，使得前同步碼長度為35. 7 μ S。物理層控制報頭(PCH) 580 該PCH包括站狀態信息STl 510和ST2515、活動/重傳從節點的位圖520、過渡消息指示標記(T) 525，該過渡消息指示標記用以告知從節點在分組{220,240}中重傳了過渡消息。為了高可靠性，該PCH信息采用高冗余水平進行編碼。 換言之，PCH 580以CRCO 526結束。
PCH 580包括一定數量的信息比特(編碼之前)。在一特定實現中，該PCH的長度為65個比特。位圖字段520用于指示哪些從節點需要重傳其數據。如果存在N個從節點， 則位圖字段包括至少N個比特，每個比特均充當其對應的從節點的重傳請求標記。例如，具有ID5的從節點可以檢驗該位圖字段520中的第5個比特以確定是否需要向主節點重傳其數據。CRCO 5 是GACK 1220分組和GACK 2240分組中的PHY控制報頭的循環冗余校驗。在字段STl或ST2，可以嵌入包括主節點ID、超級幀周期的類型(例如，關聯周期、更新周期、定期輪詢周期等)的一些信息。在一些實現中，可以略去STl或ST2或兩者。STl 510和ST2 515可以用來傳送主節點ID以將GACK分組{220,240}同由另一個網絡中的任意其他主節點或者同一網絡中的備用主節點所發送的分組區別開來。下行鏈路重傳數據{530至M0}在廣播輪詢分組300中，針對從節點120廣播數據。如果被主節點預期在響應時段305期間做出響應的從節點未能發送響應信號，則該主節點假設這些從節點沒有在廣播輪詢分組300中接收到它們的數據。因此，廣播輪詢分組中針對這些從節點的的數據被復制并在GACK分組320中的這個分配的字段820中被重傳。重傳的從節點的資源分配830 在該字段中，向從節點報告用于它們的重傳的資源分配。已成功地發送了響應的從節點釋放它們的通信資源(例如，OFDM子載波、頻率信道等)，以讓那些失敗的從節點在重傳中使用。主節點110在失敗的從節點中分配可用的資源以提高它們在第一 GACK時段215和第二 GACK時段225中重傳成功的機會。CRC 560 為了可靠性，向資源分配字段添加循環冗余校驗。在接收下行鏈路GACK分組220之后，從節點首先校驗位圖字段520和針對其自身的對應比特的值。如果該比特指示需要該特定從節點重傳，則該從節點發送“Rtx-Ι響應” 分組230，該分組230是該從節點的原始響應210的副本。在GACK時段215期間，主節點對成功接收到的從節點響應的記錄進行持續的更新。在GACK時段定時器終止后，主節點110通過準備和發送第二 GACK 240而向那些重傳失敗的從節點請求第二次重傳，并接著設定GACK2時段終止定時器225。該第二 GACK 240的結構與第一 GACK 220的結構相同。一旦接收到第二 GACK 240,已在GACK間隔215中進行了重傳的從節點對GACK2分組MO的位圖510進行校驗以確定主節點是否在第一 GACK間隔215期間成功地接收了它們的重傳。如果位圖520指示了那些需要第二次重傳數據的從節點，則這些從節點重傳它們的響應分組210。在GACK2時段225末尾，主節點110具有以下信息。從當前的超幀內成功發送響應的從節點的標識。由被成功接收的從節點發送的數據。以Si表示從節點i (1 < i < N)，其中N是從節點的總數。、表示主節點成功接收到響應的從節點的組，并且、表示網絡中的所有從節點的組。在GACK分組220中，主節點在位圖520中指出，屬于組&的從節點需要進行重傳，其中Se = Isi e (Sn-Sm) , 1 ≤ i ≤N}在GACK-I間隔215末尾，一些從節點可能已經傳送其響應210失敗。以^i2表示失敗的從節點的組。接著，主節點在第二 GACK的位圖中指出屬于組、的從節點。接著，從節點Si e SE2(1 ^ i ^ N)重傳250它們的原始響應210。 盡管參考某些優選實施方式描述了本發明，但應當理解，在本發明的精神和范圍內，可以進行各種其他改變和修改。因此，所附權利要求書的目的是涵蓋落入本發明的真實精神和范圍內的所有這種變形和修改。
權利要求
1.一種在包括主節點和一組從節點的網絡中進行通信的方法，其中所述通信在子載波上使用正交頻分復用(OFDM)和時分多址(TDMA)符號，該方法包括利用下行鏈路和全部所述子載波，從所述主節點向所述一組從節點廣播廣播輪詢分組，所述廣播輪詢分組包括針對各個從節點的數據分組和所述從節點的子載波分配；在接收到所述廣播輪詢分組后，利用上行鏈路和所分配的子載波，從各個從節點向所述主節點同時發送響應分組；以及利用下行鏈路和全部所述子載波，從所述主節點向所述一組從節點廣播群組確認分組，其中，所述廣播輪詢分組、所述響應分組和所述群組確認分組在一個通信周期中包括一個超幀，并且其中，下行鏈路上的廣播和上行鏈路上的發送在時間上分開。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，各個從節點均具有唯一的標識(ID)。
3.根據權利要求1所述的方法，其中，各個從節點均包含傳感器并且在工業應用中工作。
4.根據權利要求1所述的方法，其中，所述廣播輪詢分組還包括由三個所述OFDM和 TDMA符號組成的前導碼；物理層控制報頭；以及有效載荷。
5.根據權利要求4所述的方法，其中，所述物理層控制報頭還包括主節點與從節點狀態信息；指示哪些從節點需要響應所述廣播輪詢分組的位圖字段；功率控制指示符字段； 過渡消息指示符字段；以及循環冗余校驗。
6.根據權利要求5所述的方法，其中，所述過渡消息指示符字段包括過渡消息指示符字段；以及所述過渡消息響應的所述從節點的ID。
7.根據權利要求4所述的方法，其中，所述廣播輪詢分組的有效負荷包括各個活動從節點的從節點數據；各個從節點數據的循環冗余校驗；過渡消息；所述過渡消息的循環冗余校驗；從節點的資源分配；以及所述資源分配的比特的循環冗余校驗。
8.根據權利要求1所述的方法，其中，所述主節點設定定時器以指示從節點響應時段的結束。
9.根據權利要求1所述的方法，其中，各個響應分組均包括導頻信號和有效載荷數據。
10.根據權利要求1所述的方法，其中，所述超幀還包括未能響應所述廣播輪詢分組的從節點的第一重傳數據；與所述重傳數據相對應的第一重傳響應分組；以及針對所述第一重傳分組的所述群組確認分組。
11.根據權利要求8所述的方法，其中，所述超幀還包括未能響應所述第一重傳數據的從節點的第二重傳數據；以及與所述第一重傳數據相對應的第二重傳響應分組。
12.根據權利要求1所述的方法，其中，所述群組確認分組還包括物理層控制報頭；所述一組從節點的下行鏈路重傳數據；資源分配信息；以及循環冗余校驗。
13.根據權利要求12所述的方法，其中，所述物理層控制報頭包括主節點與從節點狀態信息(ST1、ST2)；指示需要進行上行鏈路重傳的所述從節點的索引的位圖；過渡消息重傳字段；以及循環冗余校驗。
全文摘要
一網絡包括主節點和一組從節點，主節點與該組從節點在子載波上利用正交頻分復用(OFDM)和時分多址(TDMA)符號進行通信。主節點利用下行鏈路和所有子載波向該組從節點廣播廣播輪詢分組，該廣播輪詢分組包括針對各個從節點的數據分組和用于從節點的子載波分配。響應于接收到該廣播輪詢分組，各個從節點利用上行鏈路和所分配的子載波向主節點同時發送響應分組。接著，主節點利用下行鏈路和所有子載波向該組從節點發送群組確認分組，其中，廣播輪詢分組、響應分組和群組確認分組在一個通信周期中包括一個超幀，并且其中，下行鏈路上的廣播和在上行鏈路上的傳輸在時間上是分開的。
文檔編號H04L1/16GK102265545SQ20098015277
公開日2011年11月30日 申請日期2009年12月8日 優先權日2008年12月31日
發明者吳拉姆·巴蒂, 張錦云, 扎菲爾·沙欣奧盧, 黃軼 申請人:三菱電機株式會社